晋西黄土区人工林地土壤水分特征及其对降雨的响应

为了研究黄土区人工林地土壤水分特征及其对降雨的响应,以晋西黄土区人工刺槐林地、人工侧柏林地、人工刺槐侧柏混交林地为研究对象,利用EnviroSMART土壤水分定位监测系统和翻斗式雨量计对其2014年3月1日—2015年3月31日0—200cm土层的土壤含水量和降雨量进行了连续观测。观测结果表明:(1)人工侧柏林地0—200cm土层蓄水量为496.67mm,刺槐侧柏混交林地为349.88mm,人工刺槐林地为307.48mm。人工刺槐林地较人工侧柏林地和混交林地多消耗189.19mm和42.40mm土壤水分,且多消耗的水分主要来源于深层土壤,这可能导致人工刺槐林地深层土壤"干化"。(2)3种林地0—200cm土层土壤水分的年内变化可以划分为土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分积累期(6—8月)、土壤水分消退期(9—11月)、土壤水分稳定期(12月至翌年2月)。在土壤水分消耗期、积累期和消退期,3种林地土壤水分变化量存在显著差异。(3)在小雨、中雨、暴雨3种降雨条件下,人工侧柏林地对降雨的响应深度最深,人工刺槐林地最浅;对于同一林地而言,降雨的响应深度随降雨量的增加而增加;土壤含水量对单场降雨的响应程度随土层深度的增加而减弱。     

晋西黄土区苹果园生长季土壤水分动态

为了揭示黄土残塬沟壑区苹果园剖面土壤含水量的变化,对晋西黄土区苹果园的可持续发展提供科学依据,试验以17龄苹果树果园土壤为研究对象,通过ECH_2O土壤水分探头对50,100,150,200,250,300 cm处深度土壤体积含水量进行一个生长季的定位观测,分析了土壤水分的空间分异及动态变化。结果表明:(1) 6个层次土壤含水量差异显著,平均值分别为:22.27%,21.38%,18.92%,17.94%,10.60%,9.55%,表现出自上而下降低的趋势。(2)观测期内,150 cm,200 cm,250 cm,300 cm深度土壤含水量对降雨无响应,且100 cm层次土壤含水量对降雨的响应远远滞后于50 cm层次。随着土层深度的增加,土壤体积含水量表现出自上而下依次降低的趋势;降雨仅能影响100 cm以内深度的土壤含水量;晋西黄土高原残塬沟壑区苹果果园土壤在200 cm的土层深度以下已有土壤干化现象产生。     

晋西黄土区坡耕地不同下垫面水土流失对侵蚀性降雨的响应

为了揭示晋西黄土区不同类型坡耕地的产流、产沙及入渗规律,以4种下垫面(玉米、马铃薯、弃耕地、裸地)径流小区为研究对象,采用水量平衡的方法,分析了降雨因子对地表径流深、泥沙流失量和入渗率的影响。不同下垫面径流小区的径流深、泥沙流失量从小到大依次表现为玉米地马铃薯地弃耕地裸地,入渗率则反之。与玉米地相比,马铃薯地、弃耕地和裸地的径流深增加了58.95%,146.85%,261.48%;泥沙流失量增加了50.45%,94.98%,240.06%;入渗率下降了5.68%,14.25%,25.36%。玉米地、马铃薯地、裸地径流深与I_(10),I_(30),P×I_(10),P×I_(30)呈较好的幂函数关系,弃耕地径流深与之呈较好的一次函数关系,泥沙流失量也表现出相似趋势。入渗率随雨强增大呈减小趋势。与马铃薯地、弃耕地和裸地相比,玉米地在不同程度上有减流减沙、增加入渗的特性。     

晋西黄土区不同立地刺槐林土壤水分动态特征

选择晋西黄土区蔡家川流域4块不同坡向(阴坡、阳坡)、不同密度(1 450,2 150,2 525株/hm~2)刺槐样地作为研究对象,在每块样地的中心位置布设一个观测点,采用TRIME-TDR土壤水分测定仪定位观测2016年1—12月的土壤体积含水量,每月上、中、下旬分别对各样地0—200cm土层的土壤水分进行分层观测(每个测层20cm),研究4块刺槐样地的土壤水分季节变化规律、垂直剖面变化规律以及坡向和密度对土壤水分的影响。结果表明:(1)研究区土壤水分季节变化分为平稳期、消耗期、波动期和恢复期4个时期,年最大土壤水分与年最大降水量所在月份相同,降水季节分配对土壤水分有影响。(2)研究区土壤水分垂直变化土层分为剧烈变化层、弱变化层和相对稳定层3个土层,土壤水分随土层深度表现为先增加后减少最后趋于稳定的趋势。(3)坡向和密度对研究区刺槐林的土壤水分具有显著性影响,阴坡的土壤水分显著高于阳坡(P0.01),低密度的土壤水分显著高于高密度(P0.01)。     

晋西黄土区不同土地利用类型对土壤水分的影响

为明确不同土地利用类型对土壤水分的影响,采用土钻法在2019年和2020年4—10月定期对晋西黄土区人工油松林地、荒草地、农地0—10 m土层的含水量进行了观测研究。结果表明：（1）人工油松林地0—10 m土层的蓄水量为1 281.13 mm,荒草地为1 712.85 mm,农地为1 804.77 mm。油松林地较荒草地和农地多消耗431.72,523.64 mm的水分,且多消耗的土壤水分主要来源于深层土壤。（2）3个土地利用类型0—10 m土层含水量的垂直变化可以划分为土壤水分剧烈变化层、弱变化层和稳定变化层,各层的含水量随时间的变化也不尽相同。（3）油松林根系的直接吸水深度为5.4 m,影响深度可达10 m土层以下,农作物的吸水深度为4.2 m,影响深度可达8 m土层以下。对研究区内地势平坦、交通便利的地方可种植农作物,促进当地农业经济建设;而针对油松林地土壤含水量低的现象,可采取适当水分管理措施降低林地耗水。     

晋西黄土区典型林地土壤水分变化特征

选择晋西黄土区蔡家川流域5种典型林地(山杨×辽东栎天然次生林、人工油松×刺槐混交林、人工油松林、人工刺槐林、人工侧柏林)作为研究对象,在每块样地中心布设1个土壤水分观测点,采用TRIME-TDR土壤水分测定仪定位观测2016—2018年1—12月的土壤体积含水量,测定深度为200 cm,每20 cm为1个测层,每月分上、中、下旬进行土壤水分含量观测,分析不同林地类型土壤水分年内变化规律和土壤水分垂直变化规律。结果表明:(1)研究区不同林地土壤水分年内变化可以划分为稳定期(1—3月)、波动期(4—6月)、增长期(7—9月)和消耗期(10—12月)4个时期,5种林分类型的年平均土壤储水量按照从大到小的排序为天然次生林地(338.68 mm)>人工油松林地(319.74 mm)>人工侧柏林地(314.15 mm)>人工油松×刺槐混交林地(303.37 mm)>人工刺槐林地(292.03 mm),刺槐林地耗水量最大。(2)在雨季末,研究区5种林分类型林地土壤水分均得到了正向补充,且土壤水分的恢复能力大小排序为次生林地>针叶林地>混交林地>刺槐纯林。(3)研究区土壤水分垂直变化可划分为土壤水分含量速变层和土壤水分含量相对稳定层2个层次;随着土层深度增加,不同林地类型剖面平均含水量总体上先增大后减小。不同林地类型表层土壤水分含量为侧柏林地>次生林地>油松林地>油松×刺槐混交林地>刺槐林地;土壤水分的补充深度为天然林地>针叶林地>油松×刺槐混交林地>刺槐纯林。     

晋西黄土丘陵沟壑区春季土壤水分动态研究

采用固定点动态监测的方法,对黄土丘陵区方山县峪口镇花果山人工植被恢复过程中春季土壤水分动态变化进行了研究.结果表明:5月份土壤含水量有较大的升高;荒草坡土壤水分条件最好,针叶林、经济林土壤水分条件较好,柠条灌丛土壤水分条件一般,刺槐纯林土壤水分条件最差;土壤水分阴坡好于阳坡;土壤水分随林分密度的变化规律较为明显,黄土区造林密度不宜过大或过小,以适应有限的土壤水分资源.测点剖面不同部位土壤水分含量差异较大,形成剖面土壤水分总体上高下低的分布规律;各样地表层土壤水分的变异程度最大,而后不断减小至基本保持不变.     

晋西黄土区不同密度刺槐林对土壤水分的影响

在晋西黄土区蔡家川流域刺槐林地调查的基础上,选择密度为1 400株/hm2与2 200株/hm2的刺槐林地分别代表研究区低密度和高密度的刺槐林,并以裸地作为对照。通过设立固定样地,定位观测样地0—150cm土层的土壤水分,研究不同密度刺槐林地土壤水分状况及时空变化规律,并以土壤水分亏缺度和补偿度研究试验区降雨对刺槐林地土壤水分补偿与恢复效应。结果表明:(1)低密度刺槐林年平均土壤储水量比高密度刺槐林年平均土壤储水量绝对值高7.49mm,且低密度刺槐林达到土壤适宜储水量的天数比高密度刺槐林多60d;(2)从土壤剖面的垂直方向看,高密度和低密度刺槐林对30—150cm土层土壤水分消耗量无明显差异,但高密度刺槐林对表层土壤(0—30cm)的消耗远大于低密度刺槐林;(3)综合考虑不同降雨强度下土壤水分恢复程度、降雨补偿土壤深度等指标,研究区高密度刺槐林地土壤水分亏缺相对较大,研究区自然降雨不足以充分补给土壤水分,而低密度刺槐林地土壤水分经降雨补给可恢复到较高的水平。总体来看,研究区低密度刺槐林地土壤水分状况较好,建议研究区刺槐林种植密度以不超过1 400株/hm2为宜。     

晋西黄土区苹果—农作物间作土壤水分研究

以晋西黄土区具有代表性的苹果(Malus pumila)—花生、苹果—大豆两种果农间作模式为研究对象,对苹果—农作物间作系统中土壤水分的时空分布特征和水分效应(EM)情况进行分析,旨在为该地区间作系统水分分布模型的建立,水分生态特征的分析等提供一定的基础资料.研究表明:(1)苹果—农作物间作系统土壤含水量在不同物候期变化显著.(2)苹果—农作物间作系统中果树对作物产生的影响程度与二者之间的距离有关,离树体越近,土壤含水量越小.二维分布等值线图直观性强,对于描述间作系统土壤水分分布情况具有良好效果.(3)土壤水分效应表明果树对作物存在竞争.当土壤层次取0 40 cm时,苹果—花生和苹果—大豆间作的土壤水分效应分别为-10.54％和-12.81％;当土壤层次取0-100 cm时,其土壤水分效应分别为-11.20％和-16.83％.研究结果可为该地区土地资源合理利用和农林复合经营的可持续发展提供科学依据.     

晋西黄土区核桃花生复合土壤水分效应研究

以2008年晋西黄土区典型核桃花生复合系统为研究对象,利用土钻取样烘干称重法,取土深度为0-100 cm,对复合系统土壤水分效应进行了研究.研究结果表明,(1)核桃花生复合系统土壤含水量的季节变化极显著;(2)核桃花生复合系统在垂直方向上,土壤水分随着土壤深度的增加而增加,在0-40 cm土层内变化较为激烈;在水平方向上,距果树带越近,土壤水分含量越少,但随着带距的增加水分增加直至趋于稳定,变化曲线呈抛物线状分布;(3)与花生单作对比得出,复合系统花生土壤水分效应为正值,说明虽然核桃树和农作物根系的生态位有重叠,会产生对土壤水分的竞争利用,但竞争影响并不明显.     

晋西黄土区刺槐和油松林地土壤水分动态变化

以晋西黄土区蔡家川流域不同坡向的刺槐和油松林地为研究对象,在2005-2012年对刺槐和油松固定样地0 ～ 200 cm土层的土壤水分进行定位观测,采用有序样本最优分割法分析刺槐和油松林地土壤水分年内、年际变化规律,探讨降雨分配情况对年内、年际刺槐和油松林地土壤水分变化的影响.结果表明：1）研究区刺槐和油松林地土壤水分年内变化可分为平稳期、波动期、积累期和消退期4个时段,阳坡刺槐林地和油松林地土壤水分条件接近,阴坡刺槐林地土壤水分条件最好;2）在偏早年,油松林地土壤水分亏缺量比刺槐林地小,当偏旱年与正常年相间时,油松林地土壤水分恢复速度比刺槐林地快;3）年内降水分配均匀度与刺槐和油松林地土壤水分年内波动幅度成反比,刺槐和油松林地土壤含水量年际变化滞后于降雨的年际变化.建议在晋西黄土区阳坡种植油松,阴坡种植刺槐.     

樟子松固沙林土壤水分动态对降雨入渗的响应

[目的]分析樟子松固沙林土壤水分动态对降雨入渗过程的响应,为深入研究沙地人工林土壤水分管理提供科学依据。[方法]采用Watchdog土壤水分自动监测系统测定了浑善达克沙地2个生长周期内沙地樟子松林和流动沙丘0—120cm土层水份含量的动态,并选择3种降雨事件探讨樟子松林土壤水分对降雨入渗的响应过程。[结果]在降雨量19.4mm时,樟子松林地降雨入渗到达20cm所需要时间为4h,而流动沙丘为5h;降雨量30.2mm时,樟子松林地降雨入渗到达40cm所需要时间为13h,而流动沙丘为9h;降雨量47.1mm时,樟子松林地降雨入渗到达80cm所需要时间为27h,而流动沙丘为24h。降雨19.4~47.1mm时樟子松林地降雨入渗深度可达80cm,而流动沙丘在降雨19.4mm时降雨入渗深度则超过80cm,降雨30.2mm或47.1mm时,降雨入渗深度则超过120cm。[结论]不同降雨事件对樟子松林不同土层降水入渗进程和降水入渗深度有明显影响。     

晋西黄土区坡面尺度土壤水分分布规律研究

采用定位观测方法对晋西黄土丘陵沟壑区坡面土壤水分的分布规律进行研究。结果表明:坡向、坡度、坡位是坡面尺度土壤水分分布的重要影响因素,得出了不同立地条件土壤水分的剖面变化与时间动态规律,在此基础上对不同立地条件进行聚类,给出坡面尺度下不同立地条件的分类结果,通过分类,我们可以用立地因素代替土壤水分状况,为黄土高原植被建设提供科学的土壤水分依据。     

晋西黄土区坡面尺度土壤水分分布规律研究

采用定位观测方法对晋西黄土丘陵沟壑区坡面土壤水分的分布规律进行研究。结果表明,坡向、坡度、坡位是坡面尺度土壤水分分布的重要影响因素。得出了不同立地条件土壤水分的剖面变化与时间动态规律。在此基础上对不同立地条件进行聚类,给出了坡面尺度下不同立地条件的分类结果。通过分类,可以用立地因素代替土壤水分状况,为黄土高原植被建设提供科学的土壤水分依据。     

晋西黄土区主要造林树种林地土壤水分生态条件分析

黄土高原地区植被建设引起的土壤水分效应问题愈来受到关注,林地的水分生态条件分析成为构建结构稳定的森林植被的前提,以晋西黄土区主要造林树种刺槐、油松和侧柏的坡面林地为研究对象,通过林地土壤水分特征曲线测定及土壤水分动态变化监测,探讨其生长的水分生态条件,结果表明:本区人工林地的土壤持水力较高,土壤含水率随水势降低而递减的速度较慢;研究区主要造林树种中,刺槐及其混交林分的土壤水分利用范围最大,抗旱能力最强;无论丰水年或枯水年,坡面各林地土壤水分有效利用性大,土壤含水量在生长季都高于无效水临界值,林地土壤水分利用状况好,林分生长稳定。     

晋西黄土区不同密度刺槐林地土壤水分补偿特征

为研究晋西黄土区不同密度刺槐人工林对土壤水分的影响,分别选取2 400株/hm2与1 300株/hm2刺槐人工林代表研究区高、低密度刺槐林分,以裸地为对照,分别利用Enviro-SMART土壤水分定位监测系统和翻斗式自记雨量计对0—150cm深度范围内各土层体积含水量与林外降雨进行定位观测。结果表明:(1)从不同降水年份来看,在干旱年和平水年,低密度刺槐生长季平均土壤储水量高于高密度刺槐,在研究年份中,低密度刺槐多年平均土壤储水量比高密度刺槐多年平均土壤储水量高6.80 mm。(2)在土壤剖面垂直方向,干旱年、平水年高密度刺槐对0—30cm土层土壤水分的消耗高于低密度刺槐,丰水年0—30cm土层土壤水分消耗各刺槐林间差异不显著(P0.05)。(3)综合分析降雨入渗深度、入渗量及雨季土壤水分补偿度等指标,研究区天然降雨可对低密度刺槐林分生长所消耗的土壤水分进行有效补充,不会出现人们所担心的黄土高原在植被恢复过程中会造成水分的不足而导致新的生态退化。但考虑到高密度刺槐林对土壤水分的消耗,建议在研究区进行刺槐林植被建设过程中多考虑采用低密度刺槐林的配置方式。     

晋西黄土区主要造林树种林地土壤水分生态条件分析

黄土高原地区植被建设引起的土壤水分效应问题愈来受到关注,林地的水分生态条件分析成为构建结构稳定的森林植被的前提,本研究以晋西黄土区主要造林树种刺槐、油松和侧柏的坡面林地为研究对象,通过林地土壤水分特征曲线测定及土壤水分动态变化监测,探讨了其生长的水分生态条件,结果表明：本区人工林地的土壤持水力较高,土壤含水率随水势降低而递减的速度较慢;研究区主要造林树种中,刺槐及其混交林分的土壤水分利用范围最大,抗旱能力最强;无论丰水年或枯水年,坡面各林地土壤水分有效利用性大,土壤含水量在生长季都高于无效水临界值,林地土壤水分利用状况好,林分生长稳定。     

晋西黄土区长期人工林恢复对土壤水分和养分性质的影响

黄土高原地区是我国水土流失和环境问题严重的地区之一,人工植被恢复可以有效改善土壤性质,提高土壤质量,明确长期人工植被恢复后土壤水分和养分性质的响应差异,有利于进一步有效改善生态环境。选取晋西黄土区自然恢复的次生林地、人工刺槐林地、人工油松林地3种典型植被恢复类型为研究对象,通过测定土壤物理性质以及有机碳、氮磷钾元素含量等土壤养分,对比分析长期不同人工林恢复条件下的差异。结果表明:(1)次生林地、刺槐林地和油松林地在0-20 cm浅层土壤的容重分别1.15,1.04,1.06 g/cm³,次生林地的容重最大,土壤容重随着土层深度的增加而增大;(2)次生林地在浅层的土壤水分状况优于刺槐林地和油松林地,土壤水分消耗期(生长季开始前)过渡到积累期(生长期开始)时,次生林土壤水分动态变化更剧烈;(3)次生林地土壤碳储量较高,油松林地土壤氮、磷储量较高。3种林地土壤养分垂直变化差异显著,且均具有明显的表聚性,有机碳、全氮、全磷、速效氮和速效钾含量均随着土层深度的增加而减少,而速效磷含量随着土层深度的变化表现为先增大再减小。以水养条件为依据,建议在植被恢复过程中多以保育次生林为主来达到较好的水碳储量等生态效益,有利于优化晋西黄土区的林分管理,促进植被恢复和生态建设。     

晋西黄土区切沟对其上方集水区内土壤水分的影响

为掌握黄土高原切沟对其上方集水区内土壤水分的影响,选取晋西黄土区典型切沟上方的集水区为研究对象,采用土钻法定期测量0—10 m土层的土壤水分,探讨集水区内不同地貌部位的土壤水分状况。结果表明:(1)集水区内土壤水分状况受距离切沟远近和地貌部位的共同影响。(2)集水区内距离切沟1 m处的蓄水量显著低于距离切沟3,6 m处的蓄水量(P＜0.05),集水区内洼地的蓄水量大于坡面。(3)集水区内6个采样点浅层含水量随时间变化剧烈,深层含水量随时间变化小。(4)切沟对其上方集水区内土壤水分的水平影响距离为1~3 m,距切沟1 m处,影响深度最深可达7 m,距切沟3 m处,影响深度为2 m。在未来开展切沟治理中,建议在距离切沟1 m范围内密植低耗水的耐旱灌木或草本,利用密植的植物增加地面糙率,降低水流流速,并利用植物根系网络土体,增加抗冲性,从而起到防治切沟溯源侵蚀。     

晋西黄土区基于地形因子的土壤水分分异规律研究

以山西省吉县蔡家川小流域典型梁峁坡面为研究对象,在研究区共布设313个土壤水分监测点,用TDR测定土壤(0~30cm,30~60cm)水分,经克立格(kriging)插值得到了研究区土壤水分分布图,并与基于数字高程模型(DEM)提取的研究区域坡向、坡度、高程3个地形因子分布图叠加,生成土壤水分与地形因子相对应的数据库,用以分析坡面尺度地形因子对土壤水分的影响情况及基于地形因子的土壤水分分异规律。通过主成分分析得出:地形因子对土壤水分影响的次序依次为坡向>高程>坡度。通过对坡向和坡度聚类分析得出:影响土壤水分分异的坡向可分为两类,即292.5°~360°(0°)~112.5°(阴坡),112.5°~292.5°(阳坡);影响土壤水分分异的坡度分为:5°~20°,20°~35°两类。依据坡度和坡向的分类结果,分别拟合土壤水分和地形因子的函数关系,求出不同坡度、坡向土壤水分的关系系数:若假定坡度为5°~20°、坡向为阴坡时,土壤水分关系系数为1,则坡度为5°~20°、坡向为时阳坡时土壤水分关系系数为0.99,坡度20°~35°、坡向为阴坡时土壤水分关系系数是0.82,坡度20°~35°、坡向为阳坡时土壤水分关系系数为0.8。